(4) 新世代インクジェットプリンタヘッド（採用機種：MAXART PX‑20000）

セイコーエプソン株式会社
１．はじめに高橋智明

Ｐプロジェクト部長

本稿では、この MicroPiezo TF ヘッドの基本構造・特近年、インクジェット技術は家庭やオフィスで用いられるプリンタのみならず、商業や工業用の機器に広性と、このヘッドを用いたプリンタ製品の特徴について解説する。

く使われている。特に、ピエゾインクジェット技術は、熱を使わず様々な液体を吐出することができるため注目されている。

２．従来のマイクロピエゾヘッド
エプソンはこれまで MLChips MACH と MLP MACH と呼エプソンのインクジェットプリンタヘッドは、マイばれる 2 種類のマイクロピエゾヘッド技術を用いてきクロピエゾテクノロジーを用いたインク滴量可変技術た。これらマイクロピエゾヘッドを用いたプリンタは

1)(MSTD: Multi‑Sized Dots Technology )や高周波数吐

家庭やオフィスで手軽に写真印刷が可能なことを特徴

出能力など優れた性能を有しており、既に様々な製品に広くユーザーに受け入れられてきた。

で使用されている。しかしながら、商業製品､工業分野いずれにおいても、生産性を向上させるため、よりノズル数が多く性能の高いヘッドが求められていた｡

2‑1. MLP MACH2)
1992 年に開発されたプリンタヘッドで、MLP MACH

このような要求に答えるため、エプソンは薄膜ピエとは積層ピエゾ(Multi‑Layer Piezo)を用いた積層アゾを用い た新 世代イン クジ ェットプ リン トヘッド

クチュエータヘッド(Multi‑layer ACtuator Head)を意（MicroPiezo TF ヘッド）を開発し、2007 年 10 月に発味する。

売 さ れ た ラ ー ジ フ ォ ー マ ッ ト プ リ ン タ MAXART
PX‑20000（図 1）に搭載した。この MicroPiezo TF ヘッドは、従来ヘッドに対し 2 倍のノズル密度とノズル数を有し、高周波数吐出・インク滴量可変・高いインク選択自由度といった従来のマイクロピエゾヘッドの特徴を継承したまま、ヘッドのトータルパフォーマンスを飛躍的に向上させている。

図2

MLP MACH ヘッドの構造

図 2 に MLP MACH の構造を示したが、このヘッドは縦モード或いは Pushing Type といわれる方式を用い、圧力室上の振動板を外から変形させてインク滴を吐出す
図1

る。MLP MACH に用いられているピエゾ素子は、薄いピMAXART PX‑20000

エゾ素子を積層することで、大きな変位と加工性・ハ-1-ンドリング性の良さを両立させている。また、機械加そのため、ノズル密度を向上させ同じサイズでより多工によりピエゾ素子を櫛歯状に切り分け、個々の圧力くのノズルを有するヘッドが望ましいことは明らかで室を独立に加圧制御することが可能になっている。MLPあった。

MACH のノズル密度は 180npi(Nozzle Per Inch)である。

しかし、前述したように MLP MACH は機械加工によりピエゾ素子をカットしているため、ノズル密度をさらに2‑2. MLChips MACH3)上げることは困難であった。一方、横モードを用いた1995 年に開発されたプリンタヘッドで、MLChips

インクジェットヘッドの基本構造はシンプルであり高MACH とは高集積ピエゾ素子と一体化した多層セラミ密度化が可能に思えたが、MLChips MACH ではセラミッ

ク ス (Multi‑Layer Ceramic with Hyper Integrated

クス焼成を用いており、流路構造も複雑であるため、Piezo Segments)タイプの MACH ヘッドを意味する。

そのままでは高精度な寸法が要求されるノズル密度向上は困難であった。また、単に平面的な寸法を縮小するだけの高密度化に意味があるのか十分な考察が必要であった。
ピエゾインクジェットヘッドは、ピエゾ素子の変形を圧力室の体積変化（排除体積）に変換し、圧力室内のインクを加圧することによってインク滴を吐出する。
排除体積は、圧力室の断面積変化（図 4）にアクチュエータ長さをかけて求められる。単に平面的な寸法を詰め高密度化した場合、アクチュエータの変位及び断面積変化が減少し排除体積が減るため、吐出可能なイ

図3

MLChips MACH ヘッドの構造

ンク滴サイズが小さくなることが予想された。

図 3 に MLChips MACH の構造を示したが、このヘッド

Cross-sectional
area change

Thickness ofpiezo element

は横モード或いは Bending Type といわれる方式を用い、圧力室上の振動板を撓み変形させてインク滴を吐出する。MLChips のピエゾ素子は、振動板及び圧力室形成

Displacement
Cavity width

CavityThickness ofvibration plate

基板と一体焼成されており生産性に優れている。

３．ヘッド性能向上の指針
インクジェットヘッドの性能を向上させる方法には、

図4

ヘッドの断面構造個々のノズル性能を上げること、ノズル数を増やすことの二つがある。従来のマイクロピエゾヘッドでは、

3‑1．Cavity 幅‑特性

主に個々のノズル性能を向上させることで、高性能化

まず、Cavity 幅を縮小したときの影響を有限要素法を図ってきたが、インクジェット技術が商業分野や工の構造計算結果で見積もった。計算に用いた主な条件

業分野へ展開するにしたがい、より多くのノズルを有を表 1 に、計算結果のグラフを図 5 に示す。圧力室するヘッドが求められるようになってきた。単純にヘ(Cavity)の幅が半分になると、アクチュエータ変位はッドサイズを大きくするか、複数のヘッドを並べるこ

約 1/4 に、断面積変化は約 1/8 になる。このことは、とでノズル数を増やすことは比較的簡単であるが、製単に平面寸法を縮小してノズル密度を倍にした場合、造コストの増大と製品の不要な大型化を招いてしまう。

1 ノズルあたりの性能は 1/8 に低下しヘッドトータル-2-性能が大きく低下することを意味する。

250
Displacement (nm)35Displacement

30

Cross-sectional
area change

2002520150
151001050

Area change (um^2)

300

Piezo elements thickness
Vibrating plate thickness
Electrode thickness
Cavity width
Applied voltage
表2Parameter
Parameter, same asabove
0.1 micron
55 micron
30 V

アクチュエータ厚変更、計算条件

50

４．MicroPiezo TF ヘッド

0050

100150
Cavity width (um)200

前章で述べた高密度化と特性向上を同時に達成する
ため、われわれは薄膜(TF: Thin Film)ピエゾの実用化

図5

圧力室幅変更、計算結果に取り組み、新世代インクジェットプリントヘッド（MicroPiezo TF ヘッド）の開発に成功した。

Piezo elements thickness
Vibrating plate thickness
Electrode thickness
Cavity width
Applied voltage
表1

4.0 micron
4.0 micron
0.1 micron
Parameter
30 V

4‑1．MicroPiezo TF ヘッド基本構造
ピ エ ゾ（ 膜 厚 約 1μ m）

上部電極圧力室幅変更、計算条件
下 部電極振動板（ 約 1μ m）

3‑2．アクチュエータ厚‑特性
次に、アクチュエータ厚を変更したときの特性変化を見積もった。主な計算条件を表 2 に、計算結果のグラフを図 6 に示す。なお、この見積もりにおいては単純化のためピエゾ素子厚と振動板厚は同時に変更し計算を行った。結果は、アクチュエータ厚を 1/4 にする

イン ク 室 （ キ ャ ビ テ ィ）

ことで、変位と排除体積は約 12 倍に増加した。従って、ノズル密度を上げるため Cavity 幅を縮小すると同時

ノズ ルにアクチュエータ厚を薄くすることで、1 ノズルあた

図7りの性能を向上できることが分かる。

Displacement

Displacement (nm)1250

Cross-sectional
area change

100050MicroPiezo TF ヘッドの基本構造は図 7 に示したよ40

うに非常にシンプルである。アクチュエータ部分は3075020500102500Area change (um^2)

1500001234Piezo and Vibration plate thickness (um)

図6アクチュエータ厚変更、計算結果

MicroPiezo TF ヘッド基本構造

5MLChips MACH と同様の横モードタイプを使用し、Cavity は MLP MACH と同様の構造である。しかしながら、1 列あたりのノズル密度を 360npi と高密度化したにもかかわらず、ピエゾ素子と振動板の厚みをそれぞれ約 1μm とすることで、約 400nm（25V 印加時）変位する高性能アクチュエータを実現している。インクジェットヘッド用アクチュエータとして薄膜ピエゾの実-3-

用化は、高耐圧・高変位ピエゾ材料開発、薄膜加工・なければならない。図 10 と図 11 に駆動電圧に対するフォトリソグラフィ技術、MEMS 技術など、独自の開インク滴吐出特性変化を示す。図 10(a)は、駆動電圧発・独自の加工技術によりピエゾ素材からヘッド完成−インク滴量特性、図 10(b)は、駆動電圧−インク滴体まですべて内製化した結果である。

速度特性、図 11 は、20V 駆動時を基準にした相対値で

図 8 に MicroPiezo TF ヘッドのピエゾアクチュエータ部、図 9 に圧力室部の SEM 写真像を示す。それぞれ、高密度・高精度で形成されていることが分かる。

プロットしたグラフである。
インク滴量、インク滴速度ともにほぼ電圧に比例し増加し、1μm 厚と極めて薄い MicroPiezo TF ヘッドのピエゾ素子は高電界下でも、リニアリティーを保ち応答していることが分かる。

68546423202530
Driving voltage (V)図 10

MicroPiezo TF ヘッドのピエゾ素子

360npi
71μ m(a)

250%

120%

図 112530
Driving voltage (V)35

駆動電圧−インク滴吐出特性

140%

100%
100%

2035

Velocity

図8160%

ピエゾDroplets size

360dpi360dpi(b)10(a)
Volocity (m/S)

Droplets size (pl)

7120%
140%
Driving voltage

160%

(b)

200%

150%

100%
100%

120%
140%
Driving voltage160%

駆動電圧−インク滴吐出特性(相対値)

4‑3．インク滴量可変技術(MSTD)
従来 MicroPiezo ヘッドの最も優れた特徴のひとつである MSDT を、MicroPiezo TF ヘッドでも用いることができる。
図9

MicroPiezo TF ヘッドの圧力室

4‑2．MicroPiezo TF ヘッド基本特性
MicroPiezo TF ヘッドではノズル密度を倍に向上させつつ、従来 MicroPiezo ヘッドのインク滴量可変技術(MSTD: Multi‑Sized Dots Technology)や高周波数吐出能力など優れた性能をすべて引き継いでいる。
ピエゾ素子を薄膜化し高変位を得るには、高電界下でもリニアリティー良く変位が増加するピエゾ素子で-4-

図 12

インク滴量可変技術

図 12 に示した 3 種類のインク滴は、同一のヘッド・同一のノズル群から吐出されており、インク滴量が異なるにもかかわらず、インク滴速度はいずれも約 7m/Sに制御されている。これは、単に駆動電圧を変えるだ
けではなく、それぞれ最適な駆動波形制御 4)を行っている結果である。
Print head moving direction

4‑4．高周波数吐出能力
インク滴吐出周波数をアプリケーションの要求に応

100 micrometers
Ejection frequency is 8.6kHz, Droplet volume is 5pl.
Printhead speed:61cm/Sec, Distance between nozzle and paper: 1.2mm

じてダイナミックに変更することも可能である。図

図 14

ドット形状

13(a)は、5pl のインク滴を約 5m/S、10ｋHz で吐出、
図 13(b)は、5pl のインク滴を約 7.5m/S、58ｋHz で吐

さらに「PX‑20000」は、新開発の「VM（ビビッドマ

出、図 13(c)は、5pl のインク滴を約 7m/S、100ｋHzゼンタ） イン クテクノ ロジ ー」を搭 載し 、定評ので吐出している様子である。MicroPiezo TF ヘッドが「PX‑P/K3 インク」の特長はそのままに、新開発の ビ優れた高周波数吐出能力を有していることが分かる。

ビッドマゼンタ、

ビビッドライトマゼンタ

インクにより、8 色インクでの色再現性をさらに拡大した。
(b)

(a)

(c)

これまで色再現が難しかった、深い海の青や彩度の高いピンクに代表される青やマゼンタの色域拡大を実現した。また、光源環境の違いにより生じる「光源依存性」をさらに低減し、異なった光源下でも安定した色を保ち、常に高品位な出力物を得ることができる。
また、「PX‑20000」は、自動ノズルチェックシステ

図 13ムにより、ドット抜けを素早く検出、自動ヘッドクリ

インク滴量可変技術ーニングとの組み合わせで常に安定した高画質プリントを実現し、印刷枚数が多い場合や長時間にわたって4‑5．着弾コントロール
前述したような薄膜加工・フォトリソグラフィ技術、出力する場合でも、出力中の余計な気遣いや手間をかMEMS 技術を用いることでノズル間特性の均一性を向ける心配も不要となった。そのほか印刷ビジネスを支上させることができる。さらに駆動波形制御で最適なえるための特長として、ランニングコストを低減する

インク滴量・インク滴速度にコントロールすることで、「大容量インク」、出力時にメディア情報を記録する

図 14 に示したような、安定しかつ均一なドット着弾形

ことで、用紙の途中切替えも安心な「バーコード印刷状を得ることが可能である。

機能」、内巻きか外巻きかを選択できる「自動巻き取りユニット」、1 本でノーマル、ハイテンションの切替えができる「デュアルテンションスピンドル」も備

５．PX‑20000 製品の特徴
ラージフォーマットプリンタ「PX‑20000」は、新世えるなど、ユーザービリティにも配慮した製品である。

代インクジェットプリントヘッド（MicroPiezo TF ヘッド）を搭載した第 1 号機で、高画質・高生産性を両立したエプソン MAXART シリーズのフラグシップモデ

６．おわりにインクジェットヘッドのトータル性能を上げるには1 ノズルあたりの性能を低下させることなくノズルをルである。

高密度化しノズル数を増やす必要があること、約 1μm-5-厚のピエゾ素子を用いノズル性能の向上と高密度化を両立した新世代インクジェットプリントヘッド（MicroPiezo TF ヘッド）の基本構造と特性、及び、本ヘッド搭載製品 PX‑20000 の特徴を解説した。
この新世代インクジェットプリントヘッド（MicroPiezo TF ヘッド）を用いることで、今後各種製品の高速化・小型化が可能になるとともに、商業・産業分野のアプリケーションにおいても生産性の飛躍的な向上に寄与していけるものと確信している。

参考文献
1)

北原： Japan Hardcopy

99, 論文集 p335‑338(1999)
2)

北原： IS&Ts 11th International Congress on

Non‑Impact Printing Technologies, 論 文 集p346‑349(1995)
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碓井： IS&T

s 12th International Conference on

Digital Printing Technologies、論文集(1996)
4)

高橋： IS&T

s 17th International Conference on

Digital Printing Technologies, 論文集(2001)
5)高橋・奥村：

IS&T

s 23rd International

Conference on Digital Printing Technologies,
論文集 p314‑318(2007)-6-禁無断転載2007 年度
ビジネス機器関連技術調査報告書(発行Ⅲ―３部)

社団法人 ビジネス機械・情報システム産業協会
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